基于微棱鏡的指紋采集技術研究

尹德森 證件防偽公安部重點實驗室

一、概述

指紋識別技術具有方便快捷、識別準確率高等優點，在公安工作中得到了廣泛的應用。指紋采集是指紋識別系統的重要組成部分，獲取高分辨率、高對比度、低畸變的指紋圖像是實現快速、準確識別指紋的前提條件，指紋采集器的性能，例如分辨率、體積、功耗、使用壽命和防偽性能等直接影響指紋識別系統的性能[1]。隨著社會信息化的不斷發展和移動設備的日益普及，移動警務終端等電子設備的訪問控制與信息安全受到人們的廣泛關注，作為一種身份認證手段，指紋識別技術應用于該類設備逐漸成為趨勢，指紋采集器小型化也越來越受到人們的關注。目前，指紋采集器大多數都采用光學式和半導體式兩種成像方式，光學指紋采集器具有性能可靠、壽命長、使用方便等特點，應用最為廣泛。但傳統光學指紋采集器又存在體積、重量和功耗較大等缺點，限制了其在移動警務終端等小型電子設備中的有效應用。

近年來，隨著微棱鏡加工工藝的不斷發展，基于微棱鏡的指紋采集技術日益成熟，本文對微棱鏡指紋采集技術的理論基礎及其特點進行分析，同時進行了實驗研究，實驗結果顯示：微棱鏡指紋采集技術可以在保證成像質量的基礎上，大幅減小采集器體積，具有較好的應用前景和廣闊的應用空間。

二、光學式指紋采集技術原理

通常，光學指紋采集器成像原理是光的全反射（Frustrated Total Internal Reflection，FTIR），如圖1所示。光線照射到壓有指紋的玻璃表面，反射光線由CCD/CMOS傳感器收集，反射光的量依賴于壓在玻璃表面上的指紋脊和谷的深度，以及皮膚與玻璃間的油脂和水分。光線經過玻璃照射到谷的地方后，在玻璃與空氣的界面發生全反射，光線被反射到CCD/CMOS傳感器，射向脊的光線不發生全反射，而是被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到別的地方，這樣就在CCD/CMOS上形成明暗條紋相間的指紋圖像。

基于FTIR原理的光學指紋采集器具有成像質量較好、耐用性較好的特點，但是，因為存在棱鏡系統等原因，光學指紋采集器通常體積較大，這限制了其在某些移動類嵌入式設備上的有效應用。

為了將光學指紋采集器進一步變薄并降低成本，研究人員又提出了幾種光學式指紋采集方法。一是直接使用光纖來獲取指紋圖像，即使用纖維光束垂直照射手指指紋表面，照亮指紋并探測反射光，進而獲取圖像[2]；二是基于FTIR及矩陣式多孔成像的指紋采集，該技術以小孔成像原理為理論基礎，據稱該類指紋成像部件厚度可以低于1.5毫米，并具有2000PPI的分辨率；三是基于全息光柵和導光玻璃板的導光全息指紋采集方法，該方法具有無畸變、對比度高等特點[3,4]；四是基于棱鏡片的指紋采集方法，即使用棱鏡片替代棱鏡的光學指紋采集器，該方法是本文論述的重點。

微棱鏡指紋采集器結構就是將圖1中的單一棱鏡由圖2中的一系列小棱鏡代替，讓FTIR原理重復在小棱鏡上發生。近年來，隨著微棱鏡加工工藝的不斷發展，圖2中的小棱鏡尺寸不斷變小，即產生了微棱鏡指紋采集技術，微棱鏡結構就是在壓敏膠層上排列了一系列微小的棱鏡，當手指按壓在此表面時，由于脊線和谷線分布的不同，指紋圖像便經過微小棱鏡的反射光反映出來。將微棱鏡膜應用于指紋采集目前還是一項新的技術突破，市場上沒有此類指紋采集產品的具體應用案例。

三、微棱鏡指紋采集器

如前文所述，微棱鏡指紋采集器的核心器件為微棱鏡膜。微棱鏡膜是指表面具有微米或納米量級尺寸的棱鏡陣列結構的透明薄膜，可以使入射光線經過微棱鏡膜后以預期的角度出射，不同的棱鏡頂角會產生不同的光出射角度，同時，使用點光源照射微棱鏡膜時，不同角度的入射光也會產生不同的光發散角。通常情況下，微棱鏡膜通過具有微棱鏡結構的模具壓制而成，其制造涉及材料學、光學、精密機械制造等多個學科，其關鍵技術包括單元結構及其陣列設計、母板制作及復型、基材的確定、壓紋技術等[5,6]。

用于指紋采集的微棱鏡膜如圖3所示。

一般情況下，用于指紋采集的微棱鏡膜可分為樹脂薄膜保護層、顏色及圖案層、微棱鏡層、壓敏膠層、離型膜層等五個組成部分，如圖4所示。每個膜層功能如下：

（1）樹脂薄膜保護層：對膜層起保護作用，具有防水、防塵、防刮劃等作用，保持表面光滑如鏡；

（2）顏色及圖案層：對微棱鏡膜進行上色、印花的薄膜層，該層可以選擇多種顏色，包括白色、黃色、紅色、藍色、綠色、棕色黑色等；

（3）微棱鏡層：核心功能層，即微棱鏡排列層；

（4）壓敏膠層：也稱粘著層，涂有對壓力有敏感性的膠粘劑，使之能夠長時間地粘著在物體表面，如金屬、玻璃表面等，持久耐用；

（5）離型膜層：也稱剝離層，對粘貼前的微棱鏡膜的壓敏膠層起保護作用。

根據目前的市場情況，相對于傳統的光學式指紋采集器，將微棱鏡膜應用于指紋采集器可形成以下優點：

（1）體積小、厚度薄。相比于傳統光學指紋采集器，微棱鏡指紋采集器的厚度要薄很多，適合應用于體積較為小巧的移動警務終端等電子設備；

（2）便于生產。對于傳統光學指紋采集器而言，普通單指采集棱鏡的加工時間一般較長，一個成品元件需要經過下料、粗磨、精磨、拋光、鍍膜等多道工序。微棱鏡批量加工則相對較快，產品生產周期會縮短很多，通常，微棱鏡膜本身會有大量的庫存成品，有較強的通用性；

（3）價格便宜。通常，一個玻璃材質的單指采集棱鏡約9至30元不等，而微棱鏡膜的材料價格約為一平米幾十元，單指采集面積一般為13×18毫米左右，比較來看，微棱鏡指紋采集器材料價格較為低廉。

四、實驗分析

不同應用對指紋采集器的要求不同。通常，可以從采集面積、分辨率、圖像質量、耐用性等方面對指紋采集設備進行評價。本文僅立足于對微棱鏡指紋采集技術進行定性分析，因此，通過圖像質量對比的方式對微棱鏡指紋采集方法的可行性進行驗證。對比分析過程如下：

使用微棱鏡指紋采集器采集的指紋圖像和實際指紋對比如圖5、圖6和圖7所示。通過對比可知：微棱鏡指紋采集器采集的指紋圖像較為清晰，指紋脊線、指紋谷線均較為完整、紋理對比分明、無明顯畸變，指紋圖像質量較為理想。

在FVC（Fingerprint Verification Competition）2004測試庫中隨機選取四幅光學式指紋采集器采集的指紋圖像，如圖8所示。前兩枚指紋圖像來自DB1，該測試庫指紋采集器為CrossMatch公司的光學采集器“V300”；后兩枚指紋圖像來自DB2，測試庫指紋采集器為Digital Persona公司的光學采集器“U.are.U 4000”。將該四枚指紋圖像與圖5、圖6和圖7中的指紋圖像進行對比，可以看出：微棱鏡指紋采集器采集的指紋圖像與標準測試庫中的指紋圖像質量無明顯差別，微棱鏡指紋采集器性能能夠達到實際應用的要求。

五、結論

根據目前指紋識別技術應用現狀可知，高質量、大面積光學式指紋采集器可以滿足社會應用的各項要求，如刑事偵查、出入口控制、信息安全、治安管理等，但在警務移動終端等小型電子設備上，基于小面積、低成本的固體指紋采集器的識別準確性難以保證。因此，開發面積較大、體積較小、成本較低的光學式指紋采集設備逐漸成為當前的研究熱點。通過本文的論述可知，將微棱鏡膜應用于指紋圖像的采集是可行的，微棱鏡指紋圖像細節足夠清晰，從微棱鏡指紋圖像上提取特征信息可以確保身份識別的準確性。同時，本文的對比性實驗僅僅為定性分析，在后續工作中，需要采集更多指紋圖像進行試驗研究，并重點就分辨率、畸變率、動態灰度范圍等一系列問題進行定量分析。

[1] 田捷, 楊鑫, 等. 生物特征識別理論與應用[M]. 北京:清華大學出版社, 2009.

[2] Davide Maltoni, Dario Maio, Anil k Jain. Handbook of Fingerprint Recognition [M]. London: Springer, 2009.

[3] 陳蕊麗. 微型導光全息指紋采集系統的研究. 中國人民公安大學學報(自然科學版)[J], 2003, 1(1): 22-25.

[4] 邱蕓,陳樹越. 基于光纖錐成像的光電指紋采集方法研究. 計算機工程與設計[J], 2010, 31(8): 1870-1873.

[5] 季振強, 董連和,王麗,等. 背光模組LED側照明微棱鏡膜的研究. 液晶與顯示[J], 2014, 29(4): 533-537.

[6] 高賈順, 陳亞洲, 皮鈞, 等. 一種加工微棱鏡陣列新方法及其刀具的研究. 組合機床與自動化加工技術[J], 2014,6:128-134.